Development of ammonia burner for simultaneous high-intensity combustion and NOx reduction
Project/Area Number |
19K04219
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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Research Institution | Kagawa University |
Principal Investigator |
奥村 幸彦 香川大学, 創造工学部, 教授 (80262971)
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Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
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Keywords | アンモニア / オフガス / 窒素酸化物 / CO2フリー燃焼 / サーマルNOx / フュエルNOx / 燃焼速度 / 水素キャリア / 同軸噴流拡散火炎 / 低NOxバーナー / 乱流火炎 / 水素保炎 / 温暖化防止 / NOx 低減 / 乱流燃焼 |
Outline of Research at the Start |
アンモニア(NH3)はカロリーベースの高い燃料(383 kJ/mol-NH3)でありながら,その燃焼速度が低いために燃料としての利用度は低い.加えて,従来の石油系由来の炭化水素系ガス燃料と比較して,燃焼機構は今なお不明な部分が多い.本研究では,新規燃料かつ難燃性であることを克服し,新しい構想下でのバーナー開発に取り組んでおり,アンモニアの高負荷燃焼(単位体積当たりの発熱量の増加)およびクリーン燃焼を実現化する.高負荷燃焼により,ボイラーのコンパクト化がはかれるとともに,燃焼設備の最小化,伝熱効率の増加,および省エネ技術に直接的に貢献したい.
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Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素(CO2)濃度の増加が温暖化の原因とされる中,燃焼時にCO2 を排出しないエネルギーを利用する水素社会が注目されている.特に,H2の製造過程でもCO2を排出しない「グリーンH2」の普及が期待されている.しかし,海外からH2を液体状態で輸送するには -253 ℃ に保つ必要があるなど,実現には多くの課題がある.そのため,H2をアンモニア(NH3)へ変換し,NH3をH2キャリアとしてタンカーで国内へ輸送,NH3をH2に再変換し,燃焼等に利用する構想が提案されている.しかし,NH3からH2への分解・製造では,純粋なH2は製造されず,H2/N2混合ガスが副生される.化学式(2NH3→3H2+N2)に示すように,NH3はH2:N2 = 3:1のH2/N2混合ガス(オフガスと呼ぶ)に分解される.NH3からオフガスへの分解過程では残存NH3の発生が,オフガスからH2の精製過程ではN2の除去などが,複雑な工程と追加のエネルギーを必要とし効率が悪い.そこで,本研究ではNH3からH2への分解・製造時に発生するNH3/H2/N2混合ガスを直接燃焼利用するために,燃焼特性について明らかにした.結果として,以下の結論を得た. (1)XNH3/ XH2 = 1.0~1.63 の分解範囲内では,オフガス(NH3/H2/N2)はほぼ完全燃焼すると共に,割合の等しいNH3/H2 火炎と比較してNOxが抑制できる. (2)Fuel NOx >>Thermal NOx の関係が成立し,Fuel NOxは燃焼領域全体から生成し,Thermal NOx は(水素の選択燃焼に起因することにより)リム付近の外縁部から生成する. (3)オフガス(NH3/H2/N2)火炎では,NH3/H2 火炎と比較して,NH3 単位モル当たりの NOx 排出量が低い.これは,火炎温度の低下に伴うNOx 生成反応速度の減少に起因する.
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
大型シミュレーション投入への計算環境が整っている.(スーパーコンピューターの使用ができる.)加えて,予混合火炎を対象とするオフガスの燃焼実験がほぼ終了した.実験と数値計算により,NH3を使用した場合に発生する窒素酸化物(窒素原子Nを含む燃料)の排出特性を明らかにできているため.
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Strategy for Future Research Activity |
今後、以下の(1)~(2)の研究を推進する. (1)アンモニア専焼が可能な新バーナの開発に着手する. (2)更なる高負荷燃焼とNOxの同時低減,およびNH3/H2燃焼の低輻射特性の改善を炉内設計を含めて達成する.
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Report
(4 results)
Research Products
(22 results)